[ddd]

Zitat von jameek

Ich finde die Diskussion spannend (INHALTLICH!) und es würde mich interessieren, welche Argumente für 14 Bit sprechen...

Man muss zuerst zwei Dinge deutlich trennen, dann wird die Sache IMHO besser durchschaubar:

1. Dichteumfang D = Differenz zwischen stärkster noch von "Weiss" unterscheidbarer Lichtmenge/pixel und schwächster noch von "schwarz" unterscheidbarer Lichtmenge/pixel.

2. Tonwertabstufung = Anzahl der Abstufungen zwischen diesen beiden Grenzen.

Das z.Zt. der Dynamikumfang der aktuellen DSLR-Sensoren um 12 Blendenstufen herum liegt, hat nichts mit der 12bit-Auflösung der A/D-Wandler zu tun (der Sensor selbst ist analog!), sondern ist reiner Zufall.

12 Blendenstufen = 1:2^12 = 1:4096 = ca. D 3,6.

Wieviele Ladungsträger (jeder mit einer Elementarladung e-) sich maximal in einem Pixel durch Belichtung ansammeln können hängt wohl primär von der (wahren!) Fläche des lichtempfindlichen Bereiches ab.
Bei 12MP-APS-C sind das weniger als 5,7x5,7µm², bei 24MP-FF weniger als 5,9x5,9µm².
Da passen wohl einige zehntausend Elektronen rein (ich meine etwas um 90 000 irgendwo gelesen zu haben). Bis hier her ist das Ganze rein theoretisch.

Ein CCD- oder CMOS-Sensor ist leidlich linear, also doppelt so viel Licht = doppelt soviele Ladungsträger. Am oberen Rand der "Füllbarkeit" entstehen Probleme, die überzähligen Ladungsträger tunneln in Nachbar-Pixel (Ausbluten). Daher werden wohl heute bei beginnender Überladung Ladungsträger abgeleitet. Am unteren Rand gibt es verschiedene Grenzen: ein Pixel enthält niemals keine Ladungsträger, da ist die Quantenphysik vor. In der Realität wichtiger ist aber das thermische Rauschen, Zimmertemperatur entspricht etwa 1/40 eV. Dadurch können immer Ladungsträger in den Pixel hineintunneln, und es stellt sich ein nur von der Temperatur des Pixels abhängiger "Mindestfüllstand" ein. Wird es in dem Pixel wärmer, steigt dieser Wert. Daher werden Teleskop-Sensoren idR gekühlt.

Jetzt kommen die Ausleseverstärker, diese müssen die beim Auslesen gemessenen Ladungsmenge so verstärken, dass die nachfolgenden A/D-Wandler arbeiten können.
Kein Analog-Verstärker kann rauschfrei gebaut werden, auch hier zieht zuallerletzt die Quantenphysik wieder Grenzen (wir sind heute nicht mehr weit von diesen Grenzen weg, sie sind bereits spürbar). Auch sind Analogverstärker niemals ideal linear usw.
Das Signal wird also bereits "schlechter". Wenn mehr verstärkt werden muss (höhere ISO-Einstellung), wirken sich die Limitierungen der Ausleseverstärker immer deutlicher aus.

Nächstes Problem sind die Analog-Digital-Wandler: Prinzipiell machen die ebenfalls Fehler, Quantisierungsrauschen z.B. (hat nichts mit Quantenphysik zu tun!), real kommen weitere Unsauberkeiten hinzu. Umso schneller ein A/D-Wandler ist, umso unpräziser wird er schon theoretisch, auch dass verstärkt das Rauschen speziell bei niedrigen Werten.

Jetzt haben wir also endlich einen digitalen Wert, der irgendwie mit der Ladungsmenge im Pixel zusammenhängt, die wiederum eine nichttriviale Funktion der auf den Pixel eingefallenen Lichtmenge ist.

Es hängt jetzt von der "Qualität" des erhaltenen Wertes ab, wie fein man diesen unterteilen kann, also wieviele Stufen die A/D-Wandler unterscheiden können und damit letztendlich, wieviele Bits als Repräsentation für die möglichen Abstufungen benutzt werden (können).

Offensichtlich läßt die heutige Technik bei ca. 5x5µm² Silizium-Detektoren mit 5-10 Auslesevorgängen/s, integrierten Verstärkern, A/D-Wandlern und ohne Kühlung bei "Raumtemperatur" nicht wesentlich mehr als 2^12 Abstufungen zu. Feinere Abstufungen liefern in erster Linie bei sehr niedrigen Werten (in den niederwertigsten Bits) mehr Rauschen. Daran sind alle Schritte beteiligt: der Sensor, der Verstärker und der A/D-Wandler.

Slowscan-Sensoren (DigiBacks z.B.), stark gekühlte Sensoren, mit externen Verstärkern, externen A/D-Wandlern und/oder deutlich größeren Pixeln können mehr!

Übrigens: schon mal nachgesehen, was ein A/D-Wandler (1-kanalig) mit echten 16bit-Auflösung kostet? Die A900 hat schlappe 6048 A/D-Wandler...

PS: es können Fehler in dieser Überlegung stecken. Wer welche findet, möge bitte darauf hinweisen.